一种具有浮力补偿的小型水下滑翔机

技术领域

本发明涉及水下观测与探测装备技术领域，具体涉及一种具有浮力补偿的小型水下滑翔机。

背景技术

随着人类对海洋资源的需求愈加强烈，驱使世界各国将海洋开发作为综合国力竞争的一个重要领域。海洋高端装备产业是海洋经济产业链重要组成部分。而低成本、小型化水下机器人是未来海洋高端装备产业发展的一个重要方向。加快推进机器人的集群应用，将这些设备集群分散布局在一个较大的水域，对水域三维空间大范围覆盖协同工作，可快速采集指定区域的水文数据，实现对海洋环境的实时监测。

水下滑翔机作为水下机器人的重要组成部分，其依靠浮力驱动模块驱动下潜和上浮，相比其他水下机器人，具备能耗小，续航时间长，能够长时间、大范围的观测多种海洋参数的能力，并且操作灵活，具备多机协同观测的能力，可为实现精细化、密集型海洋环境观测任务提供大量数据支撑。然而，随着水下滑翔机下潜深度的增加，海水密度随之变大，导致水下滑翔机在下潜过程中浮力变大，而由于水下滑翔机的重力不变，因此，其向下的牵引力变小，这就需要浮力驱动模块油路系统额外动作，导致能耗增加。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有浮力补偿的小型水下滑翔机。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有浮力补偿的小型水下滑翔机，包括耐压舱、后浸水舱、姿态调节模块和浮力驱动模块，所述后浸水舱设置在所述耐压舱的后端，所述姿态调节模块以及所述浮力驱动模块的主体安装在所述耐压舱内，所述浮力驱动模块的外皮囊安装在所述后浸水舱内，还包括前浸水舱和浮力补偿装置，所述前浸水舱设置在所述耐压舱的前端，所述浮力补偿装置安装在所述前浸水舱内，所述浮力补偿装置包括壳体、活塞和弹簧，所述壳体的一端封闭，另一端设有进水口，所述活塞密封安装在所述壳体内以将所述壳体分割为密封腔以及与所述进水口连通的进水腔，所述弹簧安装在所述密封腔内，所述活塞可在其两侧作用力的作用下沿所述壳体长度方向往复移动。

进一步，所述活塞与所述壳体之间间隔设有两个O型密封圈。

进一步，所述耐压舱包括前端盖、耐压壳体和后端盖，所述耐压壳体由前壳体和后壳体对接密封连接而成，所述前端盖和后端盖分别通过设置在所述耐压壳体内的支撑框架以及耐压壳体内的负压力拉紧在所述耐压壳体的两端。

进一步，所述前壳体和后壳体的中间、且沿对应所述前壳体和后壳体内壁周向均设有加强肋。

进一步，所述支撑框架包括第一主梁、第二主梁、浮力支撑板、前支撑板、后支撑板和拉紧板，所述拉紧板安装在所述耐压壳体的前端，所述第一主梁和第二主梁沿所述耐压壳体长度方向设置、且分别位于所述耐压壳体的两侧，所述第一主梁和第二主梁的两端分别与所述拉紧板和后端盖连接，所述浮力支撑板连接在所述后端盖上，所述前支撑板与后支撑板间隔设置、且均固定在所述第一主梁与所述第二主梁之间。

进一步，所述姿态调节模块包括俯仰调节单元，该俯仰调节单元包括第一电池组和俯仰电机，所述第一电池组设置在所述前支撑板和后支撑板之间，所述俯仰电机与所述第一电池组连接以驱动所述第一电池组在前支撑板和后支撑板之间移动。

进一步，所述姿态调节模块还包括自锁舵机，该自锁舵机安装在所述后支撑板上，其输出轴穿过所述后支撑板、且与所述俯仰调节单元偏心连接以驱动所述俯仰调节单元转动。

进一步，所述姿态调节模块还包括横滚前支撑架和横滚后支撑架，所述横滚前支撑架通过前轴承安装在所述前支撑板上，所述横滚后支撑架通过后轴承安装在所述后支撑板上，所述俯仰调节单元安装在所述横滚前支撑架与所述横滚后支撑架之间、且在所述俯仰电机驱动下在所述横滚前支撑架与所述横滚后支撑架之间移动。

进一步，所述姿态调节模块还包括连接杆，该连接杆的一端与所述横滚前支撑架连接，连接杆的另一端穿过所述第一电池组、并与所述横滚后支撑架连接。

进一步，所述自锁舵机的输出轴与所述横滚后支撑架固定连接。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本申请实施例所提供的具有浮力补偿的小型水下滑翔机结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的具有浮力补偿的小型水下滑翔机整机图；

图3为本申请实施例所提供的耐压舱结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的耐压舱内部各模块安装示意图；

图5为本申请实施例所提供的姿态调节模块结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的横滚后支撑架安装结构示意图；

图7为本申请实施例所提供的横滚后支撑架爆炸图示意图；

图8为本申请实施例所提供的横滚前支撑架安装结构示意图；

图9为本申请实施例所提供的浮力补偿装置的结构示意图。

其中，前导流罩1、CTD传感器2、浮力补偿装置3、姿态调节模块4、电子控制模块5、浮力模块6、水平机翼7、垂直尾翼8、通信导航天线9、后导流罩10、外皮囊11、耐压壳体12、前端盖13、前壳体14、后壳体15、后端盖16、拉紧板17、第一电池组18、第一主梁19、第二电池组20、浮力支撑板21、第二主梁22、主控单元23、后支撑板24、前支撑板25、俯仰电机26、横滚后支撑架27、后轴承28、后轴承端盖29、自锁舵机30、前轴承端盖31、前轴承32、横滚前支撑架33、活塞34、弹簧35、壳体36。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

参见图1～图9，本申请一种具有浮力补偿的小型水下滑翔机，包括耐压舱、后浸水舱、姿态调节模块4和浮力驱动模块，后浸水舱设置在耐压舱的后端，姿态调节模块4以及浮力驱动模块的主体安装在耐压舱内，浮力驱动模块的外皮囊11安装在后浸水舱内，还包括前浸水舱和浮力补偿装置3，前浸水舱设置在耐压舱的前端，浮力补偿装置3安装在前浸水舱内，浮力补偿装置3包括壳体36、活塞34和弹簧35，壳体36的一端封闭，另一端设有进水口，活塞34密封安装在壳体36内以将壳体36分割为密封腔以及与进水口连通的进水腔，弹簧35安装在密封腔内，活塞34可在其两侧作用力的作用下沿壳体36长度方向往复移动。

本申请通过在耐压舱的前端设置前浸水舱，在前浸水舱内安装浮力补偿装置3，在水下滑翔机上浮和下潜过程中，海水密度随水下滑翔机潜深变化而变化，导致海水作用在活塞34上的压力不断变化，从而使得活塞34在海水压力和弹簧35回复力作用下在壳体36内往复移动，调节密封腔的体积，从而调节水下滑翔机的排水体积，实现水下滑翔机在不同深度下的浮力补偿，减少能耗。

耐压舱为水下滑翔机的主体，其为舱内的各模块起到密封耐压作用。耐压舱包括前端盖13、耐压壳体12和后端盖16，耐压壳体12由前壳体14和后壳体15对接密封连接而成，前端盖13和后端盖16分别通过设置在耐压壳体12内的支撑框架以及耐压壳体12内的负压力拉紧在耐压壳体12的两端。

耐压壳体12采用包括前壳体14和后壳体15的两段式耐压舱体设计，两段壳体36采用直接对接密封的方式，与常规中间加肋环的方式对比，具有结构简单、成本低、易于装配和维护等优势，空间利用率高。在前壳体14和后壳体15的中间、且沿对应前壳体14和后壳体15内壁周向均设有加强肋。采用上述结构，使得耐压舱重排比小，可以达到轻量化设计，整体重量降低10％。

前端盖13、前壳体14、后壳体15和后端盖16之间均采用径向密封圈的形式密封，整体采用抽负压的方式拉紧。

前导流罩1采用Myring线性，具有导流作用和低阻力优势，前导流罩1采用螺栓连接在前端盖13上，形成水下滑翔机的前浸水舱。后导流罩10外形采用Myring线性，具有低阻力优势，后导流罩10采用螺栓连接在后端盖16上，形成水下滑翔机的后浸水舱，主要用于保护外皮囊11和导流作用。耐压壳体12的左右两侧设有水平机翼7，后导流罩10的上下两侧设有垂直尾翼8。

在前端盖13上安装有CTD传感器2、机械开关和数据接口。CTD传感器2与前端盖13螺栓连接，采用径向密封圈密封，其作为任务传感器进行温度、深度和盐度海洋物理参数测量。机械开关采用橡胶堵头形式对滑翔机进行上电和断电；数据接口可以外接数据缆与上位机进行数据交互。

水下滑翔机还包括电子控制模块5和能源模块，该电子控制模块5包括任务传感器控制单元、主控单元23和通信导航控制单元。其中任务传感器控制单元主要用于CTD等任务的数据采集和储存；主控单元23主要用于滑翔机姿态调节控制、浮力系统控制和正常滑翔运动；通信导航控制单元主要用于滑翔机水下导航和水面通信和定位。能源模块主要由电池组组成，用于水下滑翔机和任务CTD传感器2供电。姿态调节模块4用于水下滑翔机的姿态和航向调节。浮力驱动模块主要为水下滑翔机提供动力。

电子控制模块5、能源模块、姿态调节模块4和浮力驱动模块的主体固定在耐压舱内的支撑框架上。支撑框架包括第一主梁19、第二主梁22、浮力支撑板21、前支撑板25、后支撑板24和拉紧板17，拉紧板17安装在耐压壳体12的前端，第一主梁19和第二主梁22沿耐压壳体12长度方向设置、且分别位于耐压壳体12的两侧，第一主梁19和第二主梁22的两端分别与拉紧板17和后端盖16连接，浮力支撑板21连接在后端盖16上，前支撑板25与后支撑板24间隔设置、且均固定在第一主梁19与第二主梁22之间。

前拉紧板17固定连接在前端盖13上，第一主梁19和第二主梁22的前端通过螺栓固定在前拉紧板17上，第一主梁19和第二主梁22的后端通过螺栓固定在后端盖16上。浮力支撑板21的一端通过螺栓固定在后端盖16上，另一端向远离后端盖16方向延伸。前支撑板25和后支撑板24均通过螺栓固定在第一主梁19与第二主梁22之间，起到整体支撑作用。

电子控制模块5中的主控单元23固定在后支撑板24上。姿态调节模块4安装在前支撑板25和后支撑板24之间，整体由前支撑板25和后支撑板24支撑固定。

姿态调节模块4包括俯仰调节单元和横滚调节单元。俯仰调节单元用于水下滑翔机的俯仰调节，横滚调节单元用于水下滑翔机的航向调节。

俯仰调节单元包括第一电池组18和俯仰电机26，第一电池组18设置在前支撑板25和后支撑板24之间，俯仰电机26与第一电池组18连接以驱动第一电池组18在前支撑板25和后支撑板24之间移动。

具体的，第一电池组18包括前固定板、后固定板、电池组件和拉杆，拉杆的两端分别与对应的前固定板和后固定板固定连接，将电池组件拉紧固定在前固定板与后固定板之间。电池组件可偏心设置，使得第一电池组18为偏心结构。

俯仰电机26可采用微型直线伺服驱动器，其可安装在第一电池组18上，驱动第一电池组18在前支撑板25和后支撑板24之间移动，从而调节水下滑翔机的重心的轴向位置。

俯仰调节单元通过俯仰电机26驱动第一电池组18沿轴向移动，从而调节水下滑翔机的重心的轴向位置，实现水下滑翔机的俯仰姿态角的调节。当将重心调整到浮心前面时，水下滑翔机产生低头姿态，当把重心调整到浮心后面时，水下滑翔机产生抬头姿态。

横滚调节单元包括自锁舵机30，该自锁舵机30安装在后支撑板24上，其输出轴穿过后支撑板24、且与俯仰调节单元偏心连接以驱动俯仰调节单元转动。

具体的，横滚调节单元还包括横滚前支撑架33和横滚后支撑架27，横滚前支撑架33和横滚后支撑架27均位于前支撑板25与后支撑板24之间。横滚前支撑架33安装在前轴承32上，前轴承32通过前轴承端盖31安装在前支撑板25上，实现横滚前支撑架33与前支撑板25之间的转动连接；横滚后支撑架27安装在后轴承28上，后轴承28通过后轴承端盖29安装在后支撑板24上，实现横滚后支撑架27与后支撑板24之间的转动连接。

沿前固定板和后固定板周向还可设置多个通孔。本实施例中，通孔为3个，3个通孔呈三角形分布。3根连接杆分别对应三个通孔，连接杆的一端与横滚前支撑架33连接，连接杆的另一端分布穿过对应的通孔、并与横滚后支撑架27连接，将俯仰调节单元安装在横滚前支撑架33与横滚后支撑架27之间；连接杆的直径小于通孔的孔径，使得第一电池组18(俯仰调节单元)能够沿连接杆往复移动。

自锁舵机30的输出轴与横滚后支撑架27固定连接，通过自锁舵机30的转动，驱动横滚后支撑架27旋转，从而通过3根连接杆，带动俯仰调节单元和横滚前支撑架33旋转，从而改变水下滑翔机的重心的横向位置，使水下滑翔机产生横滚角，在水平机翼7的作用下实现航向调节，该横滚调节单元还可以实现360度旋转，使水下滑翔机重心横向调节范围更大，可以将水下滑翔机的重心从横向偏心位置调整到轴线位置，与水下滑翔机的浮心共线，水下滑翔机在重浮心的作用下实现垂直姿态，可以从滑翔模式进入剖面浮标模式。

能源模块由第一电池组18和第二电池组20组成，第一电池组18作为姿态调节模块4的负载以及横滚调节单元的配重，与姿态调节模块4一并安装在前支撑板25和后支撑板24之间，第二电池组20位于后壳体15内，其直接通过螺丝与第一主梁19和第二主梁22连接。

浮力驱动模块由油路系统和微型浮力补偿装置3组成，浮力驱动模块主要为水下滑翔机提供动力。

其中，油路系统主要用于在高压环境下提供浮力，其包括内油箱、液压油路和外皮囊11，内油箱安装在耐压舱内，外皮囊11安装在耐压舱后端的后浸水舱内，液压油路连接在内油箱与外皮囊11之间，供液压油在内油箱与外皮囊11之间流动。

液压油路包括回油油路和排油油路，在回油油路上安装有电磁阀，在排油油路上安装有液压泵以及驱动液压泵动作的电机。当水下滑翔机需要增大浮力来进行上浮时，主控单元23给电机发送指令，电机转动，带动液压泵克服外部水压将液压油从内油箱转移到外皮囊11；反之，当水下滑翔机需要减小浮力进行下潜时，电磁阀上电，依靠耐压壳体12内外压力差，将液压油“吸”回内油箱。

微型浮力补偿装置3可直接与前端盖13螺纹连接，安装在前浸水舱内，主要用于水下滑翔机在上浮和下潜过程改变其排水体积大小，实现水下滑翔机在不同深度下浮力补偿，由于海水密度随着深度的增加而变大，导致水下滑翔机在下潜过程浮力变大，水下滑翔机的重力不变，所以向下的牵引力变小，需要浮力驱动模块油路系统额外动作增大牵引力。当水下滑翔机集成有微型浮力补偿装置3时，微型浮力补偿装置3随着滑翔机下潜，由于海水压力变大，导致微型储能器中的弹簧35压缩，整体体积变小，抵消由于密度增加水下滑翔机增大的浮力，进而较少浮力驱动模块油路系统额外动作，进一步降低能耗。

具体的，微型浮力补偿装置3的壳体36具有一定的承压效果，其可为一端敞口、另一端封闭的筒体结构，密封腔位于壳体36封闭的一端，进水腔位于壳体36敞口的一端，密封腔和进水腔之间由活塞34分割开，密封腔和进水腔的体积随活塞34在壳体36内的位置变化而变化。

为了保证密封腔的密封性能，在活塞34与壳体36之间间隔设有两个O型密封圈。

具体的，在活塞34上间隔设有两个凹槽，两个凹槽均沿活塞34周向间隔设置，两个O型密封圈分别套设在对应的两个凹槽内，实现密封。

弹簧35设置在密封腔内，其一端抵在壳体36的封闭端，另一端抵在活塞34上。

当水下滑翔机滑翔时，随着深度的变化，活塞34在外面水压压力和内部弹簧35弹力双作用下在壳体36中左右移动。当深度度增大时，水压增大，活塞34向右移动压缩弹簧35；当深度减小时，水压减小，活塞34向左移动释放弹簧35，使外界水压和内部弹簧35弹力相同达到稳定状态；使得微型浮力补偿装置3在深度增加时整体排水体积减小，在深度减小时整体排水体积增大，可抵消水下滑翔机整机随着海水密度增大而产生的多余的浮力，从而减少浮力驱动系统的额外动作，降低能耗。

通信导航天线9主要用于小型长航程水下滑翔机定位和卫星通信，通过卫星可以实现小型长航程水下滑翔机与岸控中心之间的的控制指令传输和数据回传。

采用上述结构，本申请水下滑翔机为30公斤级的小型长航程水下滑翔机，是在现有水下滑翔机技术基础上，突破小型化低成本水下滑翔机设计技术，通过对核心单元小型化和性能提升优化设计，可在30公斤重量的约束下实现1000米观测剖面持续100天观测。同时因为外形尺寸小，重量轻，可以实现单人便携式布放，还具有多种工作模式，可以实现滑翔模式、剖面浮标模式和定深观测模式等多种工作模式之间自由切换，扩大其使用功能。还考虑低成本设计，与现有水下滑翔机对比，成本大幅度降低；在敏感海域和特殊海况下可以做到抛弃式布放观测。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、系统和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、系统、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、系统、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。